人體中結(jié)構(gòu)復雜、精密的器官有哪些呢？心臟算得上其中之一。心臟結(jié)構(gòu)的復雜性，遠超我們的想象。長期以來，科學家成功在體外培養(yǎng)出了多種器官的類器官模型，卻在心臟類器官上進展緩慢。

近日，來自維也納奧地利科學院的科研團隊，使用人類多能干細胞成功培養(yǎng)出全球體外自組織心臟類器官模型，該模型可自發(fā)形成空腔，自主跳動，無需支架支持。同時，這種心臟類器官在受傷后可以自主動員心臟成纖維細胞遷移修復損傷。

該研究以 “Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis” 為題發(fā)表在新一期的 Cell 雜志上。奧地利科學院的生物學大拿 Sasha Mendjan 教授為本文通訊作者。

所謂類器官，是指一種能在體外環(huán)境培養(yǎng)的具有三位結(jié)構(gòu)的微器官，擁有真實器官類似的復雜結(jié)構(gòu)，能夠部分模擬真實器官的生理功能。借助類器官，人們可以深入觀察了解器官的生長發(fā)育過程，了解疾病的發(fā)生原因。同時，類器官在器官移植和藥物篩選上也頗具前景。

此前，人們已經(jīng)成功培養(yǎng)出腦、腸道、胃、肝臟、胰腺、皮膚、肺、腎臟、舌、甲狀腺、胸腺、睪丸、視網(wǎng)膜等。然而，在心臟類器官領(lǐng)域一直進展緩慢。

與大多數(shù)人想象中的簡單空腔結(jié)構(gòu)不同，心臟的結(jié)構(gòu)其實相當復雜。心臟由多層組織組成，包括許多不同類型的細胞：心肌細胞（心房肌和心室肌細胞）、非心肌細胞（浦肯野細胞、平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞）和神經(jīng)元細胞，這些細胞協(xié)同工作，以確保心臟的正常運作，從而向身體的其他部位不斷供應新鮮的含氧血液。

此前，在體外培養(yǎng)心臟類器官的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，心肌細胞往往以團塊形式存在，而不會形成體內(nèi)常見的組織結(jié)構(gòu)，因此無法很好地構(gòu)建體外模型進行心臟疾病的研究。

直到 3D 類器官技術(shù)出現(xiàn)后，人們才成功在體外構(gòu)建出心臟類器官。所謂 3D 類器官技術(shù)，就好比用磚和鋼筋水泥蓋房子，先用組織工程技術(shù)建造一個支架，然后讓心肌細胞來填充，形成所謂的心臟類器官模型。

2020 年 9 月 18 日，來自東京醫(yī)科牙科大學的研究人員，利用 3D 類器官技術(shù)，使用小鼠胚胎干細胞構(gòu)建出了類似于正在發(fā)育的心臟三維功能性類器官，該類器官與發(fā)育中的心臟相似。構(gòu)建成功的心臟類器官包括完整的四個腔室以及傳導系統(tǒng)的細胞。同時，這種心臟類器官具有接近體內(nèi)對應物的功能特性。

雖然，以組織工程技術(shù)為基礎(chǔ)的 3D 類器官技術(shù)可以幫助人類建立心臟類器官模型，但是由于類器官模型在搭建過程中不是細胞自發(fā)組織形成的，這種類器官在器官發(fā)育和藥物篩選方面，用處有限。

正如 Mendjan 教授所說，"組織工程學對于生物研究的貢獻自然是較突出的。但是在自然過程中，器官的生成并不是人為控制的，而是細胞自發(fā)組織形成的。在這一過程中，各個細胞之間會彼此相互作用，隨著器官結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)而生長移動并改變形狀。換句話說，細胞自組織形成器官，就好比大自然讓雪花晶體的自動形成，鳥兒自動成群結(jié)隊的一起遷徙，很難通過人為工程設(shè)計來實現(xiàn)。"

為了在體外模擬正常的心臟發(fā)育過程，Mendjan 教授和他的團隊通過特定的順序激活目前已知的參與胚胎心臟發(fā)育的 6 個信號通路來誘使人類多能干細胞自我增殖分化。在實驗過程中 Mendjan 教授發(fā)現(xiàn)，隨著細胞分化的特定模式被激活，這些細胞會形成單獨的細胞層，類似于人類的心臟壁結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過一周的發(fā)展后，這些細胞會自發(fā)組織形成一個 3D 結(jié)構(gòu)的類器官，該類器官具有一個封閉的空腔，類似人類心臟自發(fā)生長的軌跡。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，這個自發(fā)形成的空腔結(jié)構(gòu)可以自主地有節(jié)奏地收縮和舒張，從而擠壓腔內(nèi)的液體。

隨后，研究小組還測試了這一自組織形成的心臟類器官對組織損傷的反應。他們用一根冷凍過的鋼棒凍結(jié)了部分心臟類器官的細胞，來模擬心臟受傷后的細胞死亡場景。結(jié)果研究人員發(fā)現(xiàn)，心臟類器官中的心臟成纖維細胞會立刻向損傷部位遷移，并合成一些蛋白質(zhì)來修復損傷。

Mendjan 教授表示，"我們并沒有用到很多高深的技術(shù)，只是將目前已知的心臟發(fā)育信號用于心臟類器官的合成中。這表明，目前這些信號通路對于心臟發(fā)育是必須的，它們對于多能誘導干細胞自組織形成類器官很重要。"

目前，這一研究僅生成了一個單腔的心臟類器官結(jié)構(gòu)。下一步，該團隊計劃在體外合成具有多個腔室的心臟類器官，就像人類真實的心臟那樣。一旦這種多腔室自組織心臟類器官形成，人們就可以了解先天性心臟病的病因，也就是胎兒發(fā)育缺陷的病因。這樣一來，人們還可以更加針對性地開發(fā)新藥，也對臨床試驗的結(jié)果有了更大的把握。